CN103973539B - 运行自动化系统的方法 - Google Patents

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Abstract

运行自动化系统的方法，包括：自动化装置（20）连接为与中央单元（10）通信；自动化装置根据发送时钟SCD和给定或可设定的压缩比RRD使用周期时间TD=SCD*RRD来循环通信，和中央单元将发送时钟SCC用于其通信；将关于自动化装置的发送时钟的信息存储在中央单元的数据库中；和与自动化装置通信的中央单元将自动化装置的发送时钟SCD和压缩比RRD纳入考虑，a.）将自动化装置的发送时钟SCD除以中央单元（10）的发送时钟SCC，该除法的结果Q’为非2次幂值；b.）选择小于Q’的最大2次幂值Q，并乘以自动化装置的压缩比RRD，得到与自动化装置通信的中央单元的压缩比RRC‑D；并且c.）使用RRC‑D降低中央单元的发送时钟SCC以使用周期时间TC‑D=SCC*RRC‑D与自动化装置循环通信。

Description

运行自动化系统的方法
技术领域
本发明涉及自动化领域，尤其涉及一种运行自动化系统的方法、一种非易失性计算机可读介质、和一种自动化系统的中央单元。
背景技术
在自动化系统中，连接用于通信的自动化单元和中央单元或设置为进行控制的每个中央单元是为了进行自动化解决方案并因此控制和/或监控待自动化的各工艺过程。不仅由自动化系统包含的通信用户，而且重要部件是设置为将它们连接进行通信的网络。为了将它连接至网络，每个通信用户都具有总线连接。在具有例如以太网、IEEE 802.3、WLANIEEE 802.11、CAN等底层网络的自动化系统中，其中通信例如通过被称为PROFINET的通信协议进行处理，每个装置都具有连接至网络的总线连接，并且自动化系统层级中的各个装置的突出位置将独立装置确定为主机(IO控制器)并将其他装置确定为从机(IO装置)。在自动化系统中，中央单元占据特定的层级位置，使得至少中央单元在网络中具有主机或IO控制器的功能。另一方面，例如从机为与中央单元相比占据自动化系统层级中的从属位置的具有总线功能的外围模块、传感器和执行器等。数据借助周期性实时通信在IO控制器与IO装置之间交换。对于此实时通信，连续时间被分解为同一持续时间的连续周期时间段，这意味着自然的连续时间由此被离散化。这些时间段以下简称发送时钟。通信用户，即先前必须利用同一发送时钟运行的利用这种周期性实时通信彼此交换数据的IO控制器和IO装置。这使得中央单元或每个中央单元，即IO控制器或每个IO控制器，先前必须总是利用由自动化系统包含的所有其他自动化装置(IO装置)支持的发送时钟运行。一般来说，这样做的结果是，在装置支持不同发送时钟的系统配置中，如果用户存在不支持该发送时钟的情况，则支持更快/更高发送时钟的这些系统用户不能利用这些更快/更高发送时钟运行。通常，新开发的IO控制器支持的发送时钟要比自动化解决方案/自动化系统中已经包括的IO装置所支持的多，尤其是更快或更高的发送时钟。如果系统操作员想要开发更高的性能或新IO控制器，直到现在，必须对各个IO装置执行更新，即例如固件更新，或者IO装置本身要用具有相应改进的通信能力的较新IO装置替换。
欧洲专利EP 1527578 B1和欧洲公开专利EP 2133763 A1都针对每个IO装置的发送时钟和IO控制器的发送时钟的整数比的特殊情况，公开了在IO控制器与IO装置之间进行通信的方法。
在大型自动化系统中，尤其是在具有许多不同装置的自动化系统中，上述的整数比通常很难或者根本不可能实现，并且该系统必须在非最佳范围内频繁运行和/或必须大幅减速以正确工作。
发明内容
因此本发明的一个目的是提出一种运行自动化系统的方法，其中该系统中包括的通信用户各自能够根据他们各自的通信能力运行，使得一方面，已经在使用的、通信能力较低的通信用户也能够结合通信性能改进的较新装置运行，例如，较新装置的性能没有必要降至最低共同点。
该目的采用本发明的方法来实现。
运行自动化系统的该方法包括：连接为与中央单元通信的自动化装置；
自动化装置根据发送时钟SCD和给定或可设定的压缩比RRD使用周期时间TD＝SCD*RRD进行循环通信，并且
中央单元使用发送时钟SCC用于中央单元的通信；
将关于自动化装置的发送时钟的信息存储在中央单元的数据库中；并且
与自动化装置通信的中央单元将自动化装置的发送时钟SCD和压缩比RRD纳入考虑，
其中，
a.)将自动化装置的发送时钟SCD除以中央单元的发送时钟SCC，该除法得出值Q’；
b.)选择小于Q’的最大的2次幂值Q，并乘以自动化装置的压缩比RRD，得到与自动化装置通信的中央单元的压缩比RRC-D；并且
c.)使用RRC-D来降低中央单元的发送时钟SCC以使用周期时间TC-D＝SCC*RRC-D与自动化装置进行循环通信。
使用上述方法尤其有利，如果值Q’为非2次幂值，意味着Q’不能由2的整数≥0的幂表示(Q’≠2n，其中n是整数≥0)。Q为2次幂值指的是Q可以表示为Q＝2n，其中n是整数≥0。在优选实施例中，可能存在限定Q的n的最大值(例如，n＝9或n＝10)。
在优选实施例中，中央单元另外监控从自动化装置接收的通信，在等于或大于中央单元的看门狗因数WDFC-D乘以TC-D的时间段内，在没有从自动化装置接收通信消息后，执行错误动作，并且其中WDFC-D是大于自动化装置的给定或可设定的看门狗因数WDFD乘以TD并除以TC-D的最小整数。
根据所描述的计算中央单元的压缩比的方法，可以获得改进的通信设置以便在中央单元与自动化装置之间进行通信而独立于这两个装置的确切的发送时钟值和比率。通过这种方式，不需要将自动化系统中的装置的发送时钟值降至最低的共同值。与从现有技术获知的方法相比，所描述的方法允许大大提高自动化装置上的中央单元间的通信速度。
自动化装置可以是自动化系统中的任意装置，比如或包括一个或多个执行器或传感器或机器人或者可与这些装置媲美的装置或这些装置的组合。中央单元例如可以是控制器、计算机、可编程逻辑控制器(PLC)或用于控制系统的任意电子装置。
自动化装置具有所谓的发送时钟，该发送时钟给出了一个通常最小周期时间以通过自动化装置发送消息。另外，还可以引入所谓的压缩比(其通常是整数值；压缩比还可以是2的整数幂(2n，其中n是整数≥0))，这意味着所发送的通信数据包不是在每个可能的发送时钟时间进行发送，而是仅按照压缩比乘以发送时钟时间得出的值进行发送。例如，有时需要降低大型自动化系统中的通信负载。
中央单元还具有发送时钟，该发送时钟通常是将消息传递至自动化系统中的自动化装置的最小周期时间。还可以设定中央单元中的压缩比，以将周期时间扩展到发送时钟时间的整数倍。此处，压缩比还可以是整数或2次幂(2n，其中n是整数≥0)。可以使用压缩比来例如降低自动化系统中的通信负载或可以使中央单元的通信适应特定自动化装置，该特定自动化装置则不能在中央单元的基本周期时间内接收消息。
在该通信的优选实施例中，中央单元的压缩比除以自动化装置的压缩比可以是二次幂，例如集合(1，2，4，8，16，32……128，256，512)的元素。通过选择根据本发明的压缩比，对于无法完全符合这两个装置的发送时钟，也是同样还可具有从中央单元至自动化装置的非常快速的通信。产生的通信可造成中央单元消息周期没有完美地调整至自动化装置的周期时间。但由于在接收消息的同时存在很多容差，因此该系统仍然可正常工作。
在额外的实施例中，中央单元监控从自动化装置接收的通信。对于该监控，引入所谓的“看门狗因数”，该“看门狗因数”提供多个控制器周期，中央单元直到引入错误动作都在等待来自自动化装置的新消息。此错误动作例如能够向系统的用户提出通知，停止与自动化装置的通信连接和/或重新启动设置程序以重新设置中央单元与自动化系统之间的通信连接或从现有技术获知的类似的动作。
由于根据上述方法计算的压缩比有时会导致中央单元和自动化装置的周期时间不完全符合，因此必须特别关注中央单元用来监控自动化装置的通信的看门狗因数。该说明书中描述的方法确保了看门狗因数乘以用于与自动化装置通信的周期时间给出的监控时间足够大，以覆盖自动化装置的多个发送周期。
在优选实施例中，中央装置、自动化装置以及其间进行的通信可以根据例如ProfiNet IO的ProfiNet或ProfiBus规范，或至少其它的规范来进行布置和/或设置。
针对自动化系统中的特殊自动化装置的对中央装置的压缩比和中央装置的看门狗因数进行的计算可以扩展至包括连接为与中央单元通信的多个自动化装置的整个自动化系统。在这种情况下，中央单元根据该说明书，使用压缩比和看门狗因数的计算方案，对于每个自动化装置将其至各个装置的通信调整至该装置的特别属性。这意味着中央单元如果需要则可以使用每个尤其调整至其属性的自动化装置的压缩比和看门狗因数的不同值。
上述整个自动化系统也可以根据例如ProfiNet IO的ProfiNet或ProfiBus规范，或至少其它规范进行布置和/或设置。
此外，本发明提出一种非易失性计算机可读介质，存储有具有能够被计算机执行的程序代码指令的计算机程序，该程序代码指令执行本发明的方法。
此外，本发明提出一种自动化系统的中央单元，计算机程序装载在该中央单元上，该计算机程序具有能够被该中央单元执行的程序代码指令，该程序代码指令执行本发明的方法。
附图说明
图1是自动化系统的示意图。
具体实施方式
使用以下实例并参照所附的图对本发明进行更详细的进一步阐述。
这里描述的且在图1中所示的示例性系统由IO控制器(10)构成，该IO控制器是根据本说明书的中央单元的实例，IO装置是根据本说明书的自动化装置(20)的实例。
图1中所示的且在下文描述的自动化系统例如可以根据ProfiNet或ProfiBus规范，例如ProfiNet IO进行设置。
所谓的控制器连接关系30(“连接关系”缩写为CR)从控制器发送至所述装置并且从该装置将装置连接关系40发送至控制器。
IO控制器10的发送时钟(缩写为SCIOC)由在IRT(IRT：同步实时，例如根据ProfiNet或ProfiBus规范)的域管理中或在IO系统(用于RT(RT：实时，例如根据ProfiNet或ProfiBus规范))中的用户进行设置。
由IO控制器10使用的压缩比(缩写为RRIOC)通过发送列表控件确定。以下将对此提供公式。
由IO控制器10使用的看门狗因数(缩写为WDFIOC)根据以下定义的公式确定。
IO装置20的发送时钟(缩写为SCIOD)由发送列表控件确定；将其设置为：
●如果由IO装置20所支持则设置为SCIOC
(注：这会导致相等的输出和输入CR更新以及看门狗时间。(尾注))
●否则设置为来自IO装置20的发送时钟的最小支持的均匀(even)发送时钟(可与均匀发送时钟调整相比)
(注：许多装置只支持RT的均匀发送时钟列表。IO装置经常得至少支持1000μs作为发送时钟。(尾注))
●或者，如果IO装置20支持恰好一个发送时钟，则使用这个
(注：具有次级IRT系统的某些装置具有不均匀(uneven)的发送时钟(尾注))
IO装置20的压缩比(缩写为RRIOD)由用户设置(例如，在使用固定值或因数时)或由发送列表控件设置(例如，在使用“自动式”时)。
由IO装置20使用的看门狗因数(缩写为WDFIOD)由用户设置(例如，标记(tab)IO装置的接口特性的IO周期)。
如上所述，确定以下因数：
SCFIOC 由用户进行
SCFIOD 见上文
RRIOD 由用户进行(固定的)或由发送列表控件进行(自动的)
→在IOD上对IO周期进行对话(dialog)
WDFIOD 由用户进行(默认：3)→在IOD上对IO周期进行对话
找寻以下因数
RRIOC 见下文
WDFIOC 见下文
定时
如图1中所示，输入CR 40和输出CR 30遵循以下定时。
输出CR 30的定时定义为：
更新时间输出CR＝SCIOC*RRIOC
看门狗时间输出CR＝SCIOD*RRIOD*WDFIOD
输出CR 30的提供者是IO控制器10并由此确定更新时间。其用户是IO装置20并由此确定看门狗时间。
输入CR 40的定时定义为：
更新时间输入CR＝SCIOD*RRIOD
看门狗时间输入CR＝SCIOC*RRIOC*WDFIOC
输入CR 40的提供者是IO装置20并由此确定更新时间。其用户是IO控制器10并由此确定看门狗时间。
计算
计算RRIOC
发送列表控件为输入40和输出CR 30计划与IO控制器10的CR视图有关的带宽(即，SCFIOC*RRIOC)；IO装置20的CR视图由此必须遵守以下方程，从而不让带宽过载：
SCIOC*RRIOC≤SCIOD*RRIOD (1)
转化方程得到
由于压缩比必须是集合{1，2，4，8，16，32……128，256，512}的元素，因此以下算法将RRIOC向下取整为压缩比的集合的下一个合适元素：
需注意的是必须将以下方程纳入考虑以遵守IO装置20的最小装置间隔：
SCIOC*RRIOC≥MinDeviceInterval (2)
SCIOD*RRIOD≥MinDeviceInterval (3)
使用方程(1)所知，足以遵守(2)。
用户基于发送时钟和压缩比的IO装置视图设置更新时间(即，SCIOD和RRIOD)上，由此对话必须已经遵守基于如根据算法(2)计算的SCIOC和RRIOC的设置的MinDeviceInterval。
然而，在之后某个时候改变SCIOC会导致输出CR更快速的更新；用户然后可能得改变IO装置20的更新时间(使用固定压缩比)。通过引发错误而在一致性检查过程中进行检测。
计算WDFIOC
用户能够配置IO装置20上的看门狗因数。因此，用户看见的看门狗时间是基于CR的IO装置20的视图。
看门狗时间输出CR＝SCIOD*RRIOD*WDFIOD
由于IO控制器10发送输出CR比IO装置20所预期的要更频繁(由于是基于SCIOC*RRIOC)，因此看门狗计时器运作良好。
在输入CR的相反方向上，必须得调整WDFIOC，因为输入CR的发送没有IO控制器10对其到达所预期的频繁。在极端情况下，发送输入CR的频率是由IO控制器10基于其计时所期望的近一半。
注：假设IO装置20上最小支持发送时钟1000μs和压缩比4将会导致4000μs更新时间的后果。假设IO控制器10上的2125μs的发送时钟会导致为1的压缩比(根据0章节中陈述的公式)以及导致为2125μs的更新时间。
假设看门狗因数设置为默认(3)，由此导致向用户陈述的为12000μs的看门狗时间。如果IO控制器10盲目使用为3的看门狗因数来计算看门狗时间，则这会导致6325μs的看门狗时间；实际上，接近输入CR的发送间隔(4000μs)，只有一个丢失的帧会因此导致站(station)丢失。(尾注)
因此，在IO控制器10上看门狗因数得相对于输入CR40的发送间隔进行调整。由于自动化任务中的读取输入不是关键的(与写入输出相反)，因此以下方程成立：
看门狗时间输入CR≥看门狗时间输出CR
换句话说
SCIOC*RRIOC*WDFIOC≥SCIOD*RRIOD*WDFIOD
转化方程得出
由于看门狗因数被定义为整数并且强制范围为3-255，因此得出以下公式：
注：将看门狗因数限制为255的最大值是无危害的，由于松散的(loosing)255个帧不管怎样都是奇怪的。(尾注)
另外，得出的看门狗时间必须遵循方程：
SCIOC*RRIOC*WDFIOC≤1,92s
附录：调整均匀发送时钟的WDFIOC
在当前PROFINET IO传递阶段的背景下，查看WDFIOC的方程(4)，其中只定义均匀发送时钟的发送时钟调整，我们可以得出以下情况：
每当SCIOC和SCIOD都为均匀时(即，在集合{250μs，500μs，1000μs，2000μs及4000μs}之外)，以下方程成立：
SCIOC*RRIOC＝SCIOD*RRIOD
从该所知，方程(4)可以简化如下：
由于WDFIOD被定义为整数并具有255的最大值，因此该方程可以进一步简化为：
WDFIOC＝WDFIOD
换句话说，对于均匀发送时钟而言，在IO控制器上使用的看门狗因数与IO装置上使用的看门狗因数相同。(附录结尾)

Claims (8)

1.一种运行自动化系统的方法，包括：为通信而与中央单元(10)连接的自动化装置(20)；
所述自动化装置(20)根据发送时钟SCD和给定或可设定的压缩比RRD使用周期时间TD＝SCD*RRD进行循环通信，并且
所述中央单元(10)将发送时钟SCC用于所述中央单元的通信；
将关于所述自动化装置的发送时钟的信息存储在所述中央单元(10)的数据库中；并且
与所述自动化装置通信的所述中央单元(10)考虑所述自动化装置(20)的所述发送时钟SCD和所述压缩比RRD，
其中，
a.)将所述自动化装置(20)的所述发送时钟SCD除以所述中央单元(10)的所述发送时钟SCC，其中该除法的结果Q’为非2次幂值；
b.)选择小于Q’的最大2次幂值Q，并乘以所述自动化装置的所述压缩比RRD，得到与所述自动化装置(20)通信的所述中央单元(10)的压缩比RRC-D；并且
c.)使用所述压缩比RRC-D来降低所述中央单元(10)的所述发送时钟SCC，以使用周期时间TC-D＝SCC*RRC-D与所述自动化装置(20)进行循环通信。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述中央单元(10)监控从所述自动化装置(20)接收的通信，在等于或大于所述中央单元的看门狗因数WDFC-D乘以TC-D的时间段内，在没有从所述自动化装置(20)接收通信消息后，所述中央单元执行错误动作，并且其中WDFC-D是大于所述自动化装置(20)的给定或可设定的看门狗因数WDFD乘以TD并除以TC-D的最小整数。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述自动化系统包括为通信而与所述中央单元(10)连接的多个所述自动化装置(20)；每个所述自动化装置(20)设置为根据权利要求1或2运行，并且所述中央单元(10)设置为使用根据权利要求1或2所述的方法与多个所述自动化装置(20)中的每个一起运行。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述数据库是装置专用配置文件的摘录。
5.根据权利要求4所述的方法，其中所述装置专用配置文件是所述中央单元(10)的项目规划的结果。
6.根据权利要求4所述的方法，其中当所述自动化系统启动时，所述装置专用配置文件是初始化处理的结果。
7.一种非易失性计算机可读介质，存储有具有能够被计算机执行的程序代码指令的计算机程序，所述程序代码指令执行权利要求1至6中任一项所述的方法。
8.一种自动化系统的中央单元，计算机程序装载在所述中央单元上，所述计算机程序具有能够被所述中央单元执行的程序代码指令，所述程序代码指令执行权利要求1至6中任一项所述的方法。
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